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淺談LF精煉過程中夾雜物的控制
2022-04-12

  摘要:鋼中夾雜物種類很多,包括硫化物、氧化物、氮化物、氫化物等,LF主要對鋼中氧化物夾雜進行處理,氧化物夾雜主要來源于脫氧產物。從鋼中氧的來源和適合地脫氧方法、合適大小的底吹氬及攪拌軟吹時間、精煉渣工藝、鈣處理工藝等方面控制氧化物夾雜,減少夾雜物的總量和危害,從而達到生產潔凈鋼的目的。

   

  A brief discussion on the control of inclusions during LF refinement

  Shan Tianzi  Wang Chongjun  Li Lei  Kong Mingjiao

  (Tang Shan Heavy Plate Co.Ltd. )

  Abstract  There are many species of inclusions in steel, including sulfide, oxide, nitride, hydride, etc,LF mainly deals with oxide inclusion in steel,Oxide inclusions are mainly derived from deoxygenation products。Oxygen from steel sources and suitable deoxidization methods、Slag refining process、Calcium treatment process control oxide inclusion,Reduce the amount and hazard of inclusions,Thus the purpose of producing clean steel is achieved.

  Keywords  inclusions control source  deoxidize  refining slag   calcium treatment

  

  0 前言

  隨著科學(xue)技術的(de)(de)進步,各(ge)行各(ge)業(ye)對(dui)(dui)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)質(zhi)量和性(xing)能(neng)要(yao)求越來(lai)越高。對(dui)(dui)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)鐵冶金行業(ye)帶來(lai)了極大的(de)(de)挑戰(zhan),潔凈鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)生(sheng)產(chan)技術越來(lai)越得到重視,對(dui)(dui)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)非(fei)金屬夾雜氧(yang)化物控制(zhi)提出(chu)了更嚴(yan)格的(de)(de)要(yao)求。非(fei)金屬夾雜造成(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)組(zu)織不均勻,惡化鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)加工性(xing)能(neng),降低(di)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)塑性(xing)、韌性(xing)和疲(pi)勞性(xing)能(neng),氧(yang)化物夾雜主要(yao)是鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)未上(shang)浮的(de)(de)脫(tuo)氧(yang)產(chan)物和鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)溶(rong)解(jie)氧(yang)凝固時(shi)析出(chu)的(de)(de)固體氧(yang)化物,LF生(sheng)產(chan)中(zhong)(zhong)通過控制(zhi)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)氧(yang)的(de)(de)來(lai)源、合適的(de)(de)脫(tuo)氧(yang)和底吹氬以及(ji)精煉渣(zha)和鈣處理等有效手段控制(zhi)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)夾雜物危(wei)害。

  1 鋼中夾雜物

  鋼中非金屬夾(jia)雜物(wu)(wu)主要(yao)是(shi)鋼的(de)脫氧(yang)產物(wu)(wu)和(he)二次氧(yang)化(hua)產物(wu)(wu)以及混入鋼中的(de)耐(nai)火材料和(he)爐渣(zha)。主要(yao)大型夾(jia)雜為氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)和(he)硫化(hua)物(wu)(wu),其中氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)主要(yao)是(shi)Al2O3,SiO2,CaO,MnO,FeO等(deng),硫化(hua)物(wu)(wu)主要(yao)是(shi)MnS,CaS等(deng)。

  為了觀察(cha)夾雜物的(de)形貌,研究其組成(cheng),取(qu)樣(yang)(yang)進行(xing)大樣(yang)(yang)電解試(shi)驗,并對大型夾雜物進行(xing)掃描電鏡觀察(cha)并對夾雜物成(cheng)分(fen)進行(xing)能譜分(fen)析。電鏡中夾雜物照片如圖(tu)1.

  IMG_257

  并(bing)對試(shi)樣中(zhong)大型夾雜物進行成分分析(xi)如(ru)圖2和(he)表1.

  IMG_258

   

  圖2 大型(xing)夾雜物形貌

    FIG. 2 large inclusions

  表1 圖2中(zhong)各點夾雜物成分分析(wt%)

  Table 1. Composition analysis of points inclusions in FIG. 2 (wt%)

  點

  O

  Mg

  Al

  Si

  S

  Ca

  Ti

  Fe

  1

  37.45


  54.69

  2.61


  0.8


  4.45

  2

  61.06

  1.38




  37.55



  3

  62.19

  1.02


  0.4

  0.95

  30.83


  4.62

  4

  50.13


  49.87






  5

  64.45

  0.83




  32.26


  2.45

  6

  60.27

  1.32

  13.34

  7.71


  12.15


  5.22

  7

  46.18


  50.25

  2.87



  0.69


  由表知(zhi)(zhi),夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)中O, Al,Ca,Fe,Si占大(da)比例,可知(zhi)(zhi)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)中氧化物(wu)(wu)最多。

  2 鋼(gang)中氧來源及控制

  夾雜(za)物(wu)(wu)中氧化物(wu)(wu)最多(duo),研究氧化物(wu)(wu)就要研究氧的來源。

  精煉過(guo)程氧主要來(lai)源于

  1)上道工(gong)序(xu)-轉爐終點氧

  2)電極加熱破壞了(le)AL-O平(ping)衡,使(shi)鋼液自(zi)由氧(yang)上升

  3)精練(lian)過程中氬氣(qi)過大,裸露鋼水吸氧

  2.1 轉爐出鋼(gang)攜帶氧(yang)及控制

  IMG_259

  圖3 轉爐終(zhong)點氧位與終(zhong)點碳關系圖

  FIG. 3 carbon relationship between oxygen level and end point of converter

  轉爐終點碳對LF精煉脫氧有著重要影響,有關數據表明,鋼液中碳氧積在一定溫度下總保持一個常量[1]。根據這(zhe)個理論(lun),終(zhong)點碳低時,鋼(gang)中自由氧必定高。根據本廠生(sheng)產情況,隨(sui)機(ji)抽取終(zhong)點溫度在(zai)1645℃左右的(de)十爐鋼(gang)進行定氧和取樣分(fen)析,所得數據如圖(tu)3.

  圖示數據也表示隨著終(zhong)點(dian)(dian)碳(tan)降低(di)鋼中(zhong)自由氧升高,轉(zhuan)爐出鋼碳(tan)越低(di),鋼水含(han)氧量(liang)越高,LF脫氧越困難。可見,提(ti)高轉(zhuan)爐終(zhong)點(dian)(dian)碳(tan)是降低(di)鋼中(zhong)氧含(han)量(liang),進(jin)而(er)降低(di)氧化(hua)物夾雜的有效(xiao)手(shou)段。

  2.2精煉過(guo)程鋼水吸(xi)氧(yang)

  LF目的降低鋼中自由氧和渣中不穩定氧化物含量,盡快使脫氧產物上浮去除,用鋁完全脫氧,鋼中酸溶鋁達到0.03μ~0.05μ時,鋼液脫氧完全[2],這時鋼中自由氧幾乎變為Al2O3,當電弧加熱時,高溫破壞了AL-O平衡[3]。根據反應(ying)式1),其(qi)反應(ying)服從亨利定律

  K=[μAL]2[μO]3                 1)

  lgK=-64900/T+20.63         

  高(gao)溫(wen)使(shi)K變大,鋼(gang)(gang)中(zhong)鋁不變,為了維持(chi)平衡,鋼(gang)(gang)中(zhong)氧就(jiu)要(yao)上升(sheng),只要(yao)鋼(gang)(gang)水(shui)裸露(lu)就(jiu)會(hui)吸氧。使(shi)鋼(gang)(gang)中(zhong)氧含量升(sheng)高(gao)。

  其(qi)次,當鋼(gang)水脫氧完全時,氬(ya)(ya)氣開(kai)的過大,使(shi)鋼(gang)水裸露過多或(huo)時間(jian)過長,鋼(gang)水會吸(xi)收空氣中(zhong)的氧。在(zai)精煉中(zhong)后期,渣子造好(hao)之后,有時會出現(xian)白渣變黃甚至(zhi)變黑,這種現(xian)象就是加合金或(huo)增碳時氬(ya)(ya)氣過大,鋼(gang)液吸(xi)氧導(dao)致(zhi),或(huo)者電弧高溫破壞AL-O平(ping)衡,鋼(gang)水吸(xi)氧導(dao)致(zhi)。所(suo)以精練過程中(zhong)要造好(hao)渣,關好(hao)爐門(men)保證爐內(nei)還原(yuan)氣氛,埋好(hao)弧,控制(zhi)氬(ya)(ya)氣大小。

  3 脫氧方法對(dui)鋼中(zhong)夾雜物的控(kong)制(zhi)

  脫氧劑主要有AL、Si、Mn及其他元素(Ca、Ba、Mg)的合金,強脫氧劑能顯著降低鋼中溶解氧,復合脫氧劑控制各元素比例能得到低熔點脫氧產物。AL為強脫氧劑,與氧親和力強,成本較低,形成的夾雜物易上浮。但為了確保脫氧時夾雜物迅速與鋼水分離避免二次氧化需要加入過量鋁,多余鋁溶于鋼中。許多研究結果證實:鋁脫氧反應產物和殘留鋼中鋁會引起耐熱鋼的蠕變脆性,使鋼高溫強度降低,疲勞性能惡化[4]。而(er)且脫氧產(chan)物(wu)為高熔點(dian)Al2O3,澆注(zhu)過(guo)程中容易造成水(shui)口堵塞。某(mou)些對(dui)鋁含量要求(qiu)低和對(dui)Al2O3夾雜(za)要求(qiu)嚴(yan)格的鋼種,生產(chan)過(guo)程中應避免采(cai)用鋁脫氧。

  [Mn]+ [O]= (MnO)            2)

  lgK=-12760/T+5.58

  [Si]+ O]= 1/2(SiO2)      ;    3)

  lgK=-15500/T+6

  2/3[Al]+[O]=1/3( Al2O3)         4)

  LgK=-21600/T+6.88

  采(cai)用含鋁(lv)、錳、硅等復(fu)合(he)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)劑(ji)(ji),其脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)能(neng)力不及鋁(lv)(脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)能(neng)力Al>Si>Mn),但(dan)可以避免鋁(lv)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)帶來的一系列問題(ti),生成(cheng)低(di)熔點復(fu)合(he)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)產物(wu),例如硅錳復(fu)合(he)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)劑(ji)(ji),硅鋇復(fu)合(he)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)劑(ji)(ji),硅鋁(lv)鋇鈣復(fu)合(he)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)劑(ji)(ji)等,各有(you)優點。但(dan)成(cheng)本略高于鋁(lv)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)。所以根(gen)據不同鋼種需要(yao)選擇合(he)適(shi)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)劑(ji)(ji)。鋁(lv)脫(tuo)(tuo)(tuo)氧(yang)(yang)要(yao)做好后續(xu)夾雜物(wu)的處理。

  4 底吹氬(ya)對夾雜物的(de)控制

  吹氬是鋼液流動并與渣層反應的驅動力,良好的氬氣是保證LF脫硫和去夾雜、脫氣的至關重要的因素。根據西華特定律,一定溫度下,氣體溶解度與該氣體在氣相中分壓力的平方根成正比。鋼中氣體不斷向氬氣泡內擴散,使氣泡分壓增大,但是氣泡上浮過程中受熱膨脹,氮氣、氫氣、氧氣分壓仍然保持在較低水平,繼續吸收鋼中氣體,隨氬氣泡逸出鋼液而去除[5] 。鋼包(bao)吹(chui)(chui)氬條件下(xia),鋼液(ye)中夾雜(za)物去(qu)除(chu)(chu)主要(yao)依靠氣(qi)(qi)泡浮選作用,夾雜(za)物與氣(qi)(qi)泡碰撞并(bing)黏附(fu)在氣(qi)(qi)泡壁上(shang)(shang)(shang),隨(sui)氣(qi)(qi)泡上(shang)(shang)(shang)浮而(er)去(qu)除(chu)(chu)。實踐證明,脫(tuo)(tuo)氧(yang)良好(hao)的鋼液(ye)經鋼包(bao)底(di)吹(chui)(chui)氬后,可(ke)去(qu)除(chu)(chu)鋼中氫15%~40%,氧(yang)30%~50%,夾雜(za)物總量可(ke)減(jian)少50%,尤其(qi)大顆粒夾雜(za)降低更明顯。而(er)且(qie)利用氬氣(qi)(qi)保護作用,可(ke)避(bi)免和減(jian)少鋼液(ye)二次氧(yang)化(hua)。為了實現上(shang)(shang)(shang)述功能,需要(yao)將(jiang)精煉所用惰(duo)性氣(qi)(qi)體-氬氣(qi)(qi)通過透氣(qi)(qi)磚(zhuan)吹(chui)(chui)入到鋼包(bao)中,要(yao)保證鋼包(bao)的良好(hao)透氣(qi)(qi)性。在良好(hao)透氣(qi)(qi)性條件下(xia),對本廠2#120tLF進行(xing)底(di)吹(chui)(chui)研(yan)究,之(zhi)前工藝是送電(dian)加熱、合金(jin)化(hua)期(qi)間(jian):500~600 NL/min,增碳、脫(tuo)(tuo)硫期(qi)間(jian):1450~1550 NL/min。

  現改(gai)變吹氬工藝為加(jia)熱時氬氣流量300NL/min~400NL/min,

  合金化氬氣流量400NL/min~500NL/min,

  增碳、脫硫流量800~900 Nl/min,

  喂線期間流量(liang)80~100 Nl/min,

  軟(ruan)吹60NL/min~100NL/min,。

  對軟吹期間(jian)(jian)不同氬氣流量設定進行夾(jia)雜分析(xi),得到夾(jia)雜物去除率(lv)與(yu)氬氣流量與(yu)隨時間(jian)(jian)變化的關系圖(tu)(tu),如圖(tu)(tu)4、圖(tu)(tu)5。

   

  IMG_260

  由(you)圖可知夾(jia)雜物(wu)(wu)去除率隨氣量(liang)增(zeng)大呈(cheng)先增(zeng)大后減小規律(lv),在60左右出現峰值。可見本研究條件下,LF精煉時軟吹氣量(liang)設定(ding)為(wei)60 Nl/min時,夾(jia)雜物(wu)(wu)去除效果(guo)好。

  表2   LF工藝(yi)優化前后A類夾雜(za)控制水平對(dui)比(Q235B)

  Table 2 comparison of class A inclusion control before and after LF process optimization (Q235B)

  A類夾雜評級

  ≤1.0級

  1.5級

  2.0級

  2.5級

  優化前比例

  17%

  50%

  17%

  17%

  優化后比例

  75%

  25%

  0          0


   

  表3   ;LF工藝(yi)優化前后B類夾(jia)雜(za)控制水平對比(Q235B)

  Table 3 comparison of class B inclusion control before and after LF process optimization (Q235B)

  B類夾雜評級

  ≤1.0級

  1.5級

  優化前比例

  67%

  33%

  優化后比例

  100%

  0

   

  表4   LF工(gong)藝(yi)優(you)化前后C類夾(jia)雜控(kong)制水平對比(Q235B)

  Table 4 comparison of class C inclusion control before and after LF process optimization (Q235B)

  B類夾雜評級

  ≤1.0級

  1.5級

  優化前比例

  17%

  0

  優化后比例

  0

  0

   

     并對LF氬氣工藝調整前后的夾雜物進行分析,得到對比表,如表2、表3、表4。根據鋼中夾雜物檢驗標準,一般認為當鋼中夾雜物尺寸不超過2.0級時,鋼的性能不會受到夾雜物影響[6]。由表知氬(ya)氣(qi)工(gong)藝(yi)優(you)化(hua)后(hou),夾雜物等(deng)級都控制在了2.0之下,顯著提高鋼的質(zhi)量。

  在合適的軟(ruan)吹流(liu)(liu)量條(tiao)件下(xia),想要(yao)保證(zheng)鋼中夾(jia)雜(za)物(wu)去(qu)除效果,還要(yao)考慮軟(ruan)吹時間。如圖6,為(wei)夾(jia)雜(za)物(wu)去(qu)除率在不同流(liu)(liu)量條(tiao)件下(xia)隨軟(ruan)吹時間的變化(hua)規律。由圖可知,夾(jia)雜(za)物(wu)去(qu)除主要(yao)發生(sheng)在前8min;吹氣12min可去(qu)除絕大多(duo)數(shu)夾(jia)雜(za),綜合考慮現場生(sheng)產(chan)因素與成(cheng)本(ben),我廠將(jiang)現場軟(ruan)吹控(kong)制在8min即(ji)可滿(man)足生(sheng)產(chan)需要(yao)與質量要(yao)求(qiu)。

  綜(zong)上(shang),控(kong)制(zhi)夾雜要加強(qiang)對(dui)氬氣的(de)控(kong)制(zhi),保證鋼包透氣良好,生產中選擇合適的(de)氬氣流量和軟吹時間(jian)。 

  IMG_261

   

  圖6  在不同氬氣(qi)流量(liang)條(tiao)件下隨軟吹時(shi)間的變(bian)化夾雜物去除(chu)率情況

  FIG. 6 the removal rate of inclusions with soft blowing time under different argon flow conditions

  6 精煉渣工藝

  非(fei)金屬夾(jia)雜大部(bu)分(fen)能夠上(shang)浮(fu)進(jin)入爐渣,精煉渣主要(yao)起(qi)到吸附上(shang)浮(fu)夾(jia)雜的作(zuo)用,精煉過(guo)程中渣、鋼、夾(jia)雜物三者之間(jian)發(fa)生反應,夾(jia)雜物會隨著反應,形態、成分(fen)會變(bian)化,為了促進(jin)反應,改(gai)變(bian)夾(jia)雜物形態、減(jian)少危害,精煉渣要(yao)求有(you)低熔點、良好流動性、合(he)適精煉渣成分(fen)的特點而且精煉過(guo)程中要(yao)有(you)充足的渣量來(lai)吸附上(shang)浮(fu)的夾(jia)雜。

  精煉渣通過渣-鋼間反應對鋼液[Al]、[O]、[Ca]、[Mg]等進行控制,進而在通過鋼液[Al]、[O]、[Ca]、[Mg]等對夾雜物進行穩定控制,所以選用與夾雜物控制目標成分相近的精煉渣系有助于控制夾雜物的形態[7] 。有(you)助于夾雜物的上浮和減少夾雜物對鋼的危(wei)害。本(ben)廠(chang)采(cai)用CaO- Al2O3- SiO2渣系,成分為:CaO40%~60%,Al2O315%~30%,SiO210%~20%,配加適量CaF2約(yue)6%,此渣系經過長期實踐,取得不錯的效果(guo)保證脫硫率達(da)70%以上。

  7 鈣處理工藝

  鈣(gai)(gai)(gai)處(chu)理(li)指在(zai)鋼(gang)水中加入鈣(gai)(gai)(gai)系合(he)金對(dui)鋼(gang)中夾雜(za)物進(jin)行形態控制(zhi),根據實際(ji)情(qing)況我(wo)廠使用的(de)鈣(gai)(gai)(gai)處(chu)理(li)技術(shu)是喂線(xian)法,借助喂線(xian)機,以一定的(de)速度(du)將硅(gui)鈣(gai)(gai)(gai)包芯(xin)線(xian)穿過(guo)渣層打到鋼(gang)液中,達到對(dui)鋼(gang)液進(jin)行脫(tuo)氧,變(bian)質處(chu)理(li)等目的(de)。鈣(gai)(gai)(gai)處(chu)理(li)通過(guo)增加鋼(gang)中有效鈣(gai)(gai)(gai)含量對(dui)鋼(gang)中MnS夾雜(za)Al2O3夾雜(za)進(jin)行改性。

  7.1鈣處理對Al2O3夾雜控制

  鈣處理使(shi)鋼中大顆粒Al2O3夾(jia)雜(za)改性成低熔點復(fu)合夾(jia)雜(za)物(wu),促使(shi)夾(jia)雜(za)物(wu)上浮,凈化鋼水,同事防止水口(kou)結瘤,改善澆注性,隨著鈣質(zhi)量分數增加Al2O3夾(jia)雜(za)將沿

  Al2O3→CaO?6 Al2O3→CaO?2 Al2O3→CaO?Al2O3→12CaO?7 Al2O3→3CaO?Al2O3改變性質[8], 鈣對夾雜物反(fan)應式(shi)如下:

  3[Ca]+( Al2O3)=2[Al]+3(CaO)                      5)

  2[Al]+3(CaO)+3[S]=3(CaS)+( Al2O3)               6)

  鈣(gai)對鋁變性作用實質是:鈣(gai)加入能使Al2O3變質為(wei)低(di)熔點的鈣(gai)鋁酸鹽3CaO?Al2O3、12CaO?7 Al2O3、CaO?Al2O3、CaO?2 Al2O3和CaO?4 Al2O3等,其中前三者熔點比鋼低(di),凝固時(shi)呈球狀,尤其生成12CaO?7 Al2O3,可以(yi)有效避(bi)免水口結瘤。

  7.2 鈣處理對硫(liu)化(hua)錳(meng)夾雜的(de)控制

  錳(meng)與(yu)硫(liu)有較(jiao)強的(de)親(qin)和(he)力(li),當鋼中硫(liu)含量較(jiao)高時,錳(meng)會與(yu)[S]反(fan)(fan)應生成高熔點MnS。反(fan)(fan)應式如下(xia):

  [Mn]+[S]=[MnS]              7)

  鋼水凝固過程中,形成的高熔點CaS質點,可以抑制鋼水在此過程生成的MnS總量和聚集程度,并把MnS部分或全部改質成CaS,形成細小單一的CaS相或CaS與MnS復合相[9] ,提高鋼材性(xing)(xing)能均(jun)勻性(xing)(xing)。

  8 結論

  為了(le)適應發(fa)展(zhan)的(de)需(xu)要(yao),優勝劣汰,提高產品質(zhi)量(liang),控(kong)制(zhi)夾(jia)雜物對鋼(gang)的(de)影響至關(guan)重要(yao),其中(zhong)減少夾(jia)雜物的(de)數量(liang)和(he)改變(bian)夾(jia)雜物的(de)形態為主要(yao)手段,LF精煉(lian)過程中(zhong)通過控(kong)制(zhi)鋼(gang)中(zhong)氧(yang)(yang)的(de)來源從根本上(shang)減少鋼(gang)中(zhong)氧(yang)(yang)化物、合(he)適的(de)脫氧(yang)(yang)方法和(he)底吹氬以及(ji)結合(he)精煉(lian)渣和(he)鈣處理工藝(yi),多管(guan)齊下,全(quan)方位控(kong)制(zhi)鋼(gang)中(zhong)夾(jia)雜物,達到提高鋼(gang)水(shui)質(zhi)量(liang)目的(de)。

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  來源: 冶金交流中心 2022-04-12 09:00